DE3627597C2

DE3627597C2 - Konforme Antenne für Flugkörper

Info

Publication number: DE3627597C2
Application number: DE19863627597
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Karger; Klaus Dr Ing Solbach
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-08-14
Filing date: 1986-08-14
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2006-08-15
Also published as: DE3627597A1

Description

Die Erfindung betrifft eine konforme Antenne für einen Flug körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Antenne ist bereits aus dem Buch von T.A. Milligan: "Modern Antenna Design" (Mc Graw-Hill Book Company, 1985, ISBN 0-07-42318-0), Seiten 95-127 bekannt.

Als konforme Antennen werden solche Antennen bezeichnet, die sich der vorgegebenen Form eines Trägerkörpers anpassen. Bei einem Flugkörper mit in Flugrichtung langgestrecktem, kreiszy lindrischem Rumpf bedeutet dies z. B., daß eine am Rumpf ange ordnete konforme Antenne einen Teil des kreiszylindrischen Rumpfs bildet.

Die bei Milligan beschriebene konforme Antenne besteht aus einer Leitungsstruktur in Streifenleitungstechnik, die inner halb eines um den Rumpf eines Flugkörpers verlaufenden Bandes angeordnet ist und als Strahler der Antenne dient. Die Lei tungsstruktur weist vier gleiche Abschnitte auf, die bezüglich einer auf dem Umfang verlaufenden und parallel zur Achse des Flugkörpers ausgerichteten Symmetrielinie gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind und deren Längsseiten parallel zur Achse des Flugkörpers verlaufen. Die Achse des Flugkörpers weist da bei in Flugrichtung. Die Querseiten verlaufen quer zur Achse des Flugkörpers und stellen die strahlenden Elemente dar. Die Speisung erfolgt von einer der Querseiten, und zwar über eine gemeinsame Speisestelle, die über Speiseleitungen mit den ein zelnen Abschnitten verbunden ist. Jeweils zwei benachbarte Ab schnitte sind dabei zu einem Streifenpaar zusammengefaßt und gleichphasig gespeist.

Die bekannte Antenne kann generell für 2^N Abschnitte ausgelegt werden. Abweichungen in der Zahl der Abschnitte von 2^N sind ebenfalls möglich, erfordern aber laut Milligan andersartige Speiseleitungsstrukturen.

Ähnliche Antennen dieser Art sind beispielsweise in dem Artikel "Conformal Microstrip Antennas and Microstrip Phased Arrays" von R.E. Munson in IEEE Trans. AP, Januar 1974, Seiten 74-78, beschrieben.

Die bekannten Antennen sind aufgrund ihrer Antennendiagramme mit Nullstellen in Richtung der in Flugrichtung zeigenden Längsachse des Flugkörpers nicht in der Lage, Wellen in Flug richtung abzustrahlen oder von dort zu empfangen. Wie aus der GB 905 417 bereits bekannt ist, wäre ein in Flugrichtung weisendes Richtdiagramm auf einfache Weise durch eine in der Spitze des Flugkörpers angeordnete Antenne zu erzielen. Lösungen dieser Art sind aber häufig aus konstruktiven Gründen nicht möglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konforme Antenne der eingangs genannten Art anzugeben, welche eine aus geprägte Empfindlichkeit in Flugrichtung aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist durch die kenn zeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Die Unter ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht.

Dabei zeigt

Fig. 1 Skizze eines Flugkörpers in einem Koordinatensystem

Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Antenne

Fig. 3 das zugehörige Antennendiagramm

Fig. 4 eine erste Ausführungsform der Erfindung

Fig. 5 das zugehörige Antennendiagramm

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung

Fig. 7 das zugehörige Antennendiagramm

Fig. 8 eine bevorzugte Ausführungsform dem Erfindung.

Fig. 9 das zugehörige Antennendiagramm

Der in Fig. 1 skizzierte Flugkörper FK habe einen kreis zylindrischen Rumpf, dessen Zylinderachse mit der z-Achse des Koordinaten-Systems zusammenfällt. Die konforme An tenne KA liegt als um den Rumpf verlaufendes Band wie ein Kragen um den zylindrischen Körper des Flugkörpers. Die Flugrichtung zeige in Richtung der positiven z-Achse. Die für die Darstellung der Antennendiagramme wesentlichen Winkel sind der Neigungswinkel ϑ gegen die Flugrichtung und der Winkel ϕ in der x-y-Ebene.

In der Fig. 2 ist eine aus der eingangs genannten Lite raturstelle IEEE Trans. AP bekannte Antenne gezeigt. Die Antenne ist in vom Umfang des Flugkörpers abgewickelt er ebener Form dargestellt. Ein sich über den gesamten Umfang erstreckender Leiterstreifen St, der in Streifenleiter technik auf einem dielektrischen Substrat S aufgebracht und über eine Mehrzahl von Streifenleitungs-Speiselei tungen gespeist ist, bildet den Strahler der Antenne. Die Strahlungsquellen sind als Pfeile an den Rändern des Leiterstreifens eingezeichnet. Der Leiterstreifen ist in z-Richtung etwa eine halbe Wellenlänge im dielektrischen Substrat (λ_ε/2) bei der Betriebsfrequenz der Antenne breit.

Das Strahlungsdiagramm (Fig. 3) einer solchen Antenne beim Betrieb am zylindrischen Flugkörperrumpf weist eine Null stelle in Richtung der Zylinderachse auf. Die Hauptstrahl richtung liegt in der Querschnitts-Ebene (x-y-Ebene) des Zylinders, wobei praktisch keine ϕ-Abhängigkeit der Strahlung auftritt (Rundstrahldiagramm).

Gegenüber dieser bekannten Antenne ist gemäß der Erfindung der Flugkörperumfang in vier Abschnitte mit jeweils ge trennten Strahlerflächen unterteilt. Jeweils zwei benach barte Abschnitte werden gleichphasig, gegenüber den beiden anderen Abschnitten aber gegenphasig gespeist.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 4. Durch Unterteilung des Flugkörpers in vier Abschnitte entstehen vier einzelne kleinere Strahler 1 bis 4, wobei je zwei Strahler 1 und 2 bzw. 3 und 4 gleichphasig ge speist werden und die beiden Paare durch Versatz der Speisestelle Sp um ein Viertel der Leitungswellenlänge λ_S/4 aus der Symmetrie-Linie heraus mit 180°-Phasenver schiebung gespeist werden. Auf der am Flugkörper ange brachten Antenne liegen sich somit zwei gegenphasig ange regte Elemente diametral gegenüber, was zu einer Ver stärkung ihrer Strahlungsanteile in der z-Achse führt. Das zugehörige Strahlungsdiagramm (Fig. 5) weist dementsprechend eine ausgeprägte Empfindlichkeit in z-Richtung auf. Das Diagramm ist aber noch deutlich vom Winkel abhängig und zeigt (für ϕ=0) einen starken Dia grammeinzug in der x-y-Ebene.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 ist dieser u. U. nachteilige Dia grammeinzug kompensiert. Dies wird erreicht durch Verwen dung von Viertel-Wellenlängen-Strahlern 5 bis 8 anstelle der Halb-Wellenlängen-Strahler. Wie in Fig. 6 zu sehen ist, verwendet diese Strahlerform Kurzschlüsse Sh zur Massefläche am einen Ende, während das andere Ende wie bei den Halbwellenlängen-Strahlern in Fig. 4 gespeist werden kann. Auf der gespeisten Seite der Strahler werden wie bei den Halbwellenlängen-Strahlern elektrische Streufelder als Strahlungsquellen angeregt; diese Streufelder regen das hauptsächliche Strahlungsfeld der Antenne an (Hauptpola risation P_H). An den zu dieser Seite senkrechten Seiten der Strahler treten bei beiden Strahler-Typen elektrische Streufelder auf mit einer zu den Hauptstreufeldern senk rechten Richtung. Während sich bei den Halbwellenlängen-Strahlern die durch diese Streufelder erzeugten Strah lungsfelder in erster Näherung auslöschen, erhält man bei den Viertelwellenlängen-Strahlern erhebliche Abstrahlung in einer zu der Hauptpolarisation P_H senkrechten Polari sation P_Q. Diese Strahlungsanteile füllen die Nullstelle der hauptpolarisierten Strahlung teilweise auf, so daß sich ein resultierendes Diagramm, wie in Fig. 7 skizziert, ergibt, bei welchem der starke Einzug des Diagramms der Hauptpolarisation P_H (durchgezogene Linie) teilweise aufgefüllt ist durch das Diagramm der Querpolarisation P_Q (unterbrochene Linie).

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 8. Dort sind in jedem der vier Abschnitte jeweils zwei Strahlerflächen (15 und 25, 16 und 26, 17 und 27, 18 und 28) vorgesehen, die um ein Viertel der Freiraumwellen länge λ_L in z-Richtung gegeneinander versetzt sind. Inner halb eines Abschnitts sind die bezüglich der z-Richtung (d. h. beim Flugkörper der Flugrichtung) vorne liegenden Strahlerflächen gegenüber der jeweils im gleichen Ab schnitt hinten liegenden Strahlerfläche um 90° phasen nacheilend gespeist, was durch unterschiedliche Bemessung der Leitungslängen der Speiseleitungen erreicht werden kann. Nimmt man die Phase der Strahler 17 und 18 als Bezugsphase, so ergibt sich für die Speisung der Strahler 27 und 28 eine Phasenverzögerung von 90°, für die Strahler 15 und 16 von 180° und für die Strahler 25 und 26 von 270°. Die 90° phasenverschobene Speisung der Strahler eines Abschnitts führt in Verbindung mit dem Versatz von λ_L/4 in z-Richtung zu einer Verstärkung der Abstrahlung in Flugrichtung und zu einer Auslöschung in Gegenrichtung.

Unter Berücksichtigung der bereits zu Fig. 6 und 7 be schriebenen querpolarisierten Abstrahlung ergibt sich für diese bevorzugte Ausführungsform ein Antennendiagramm wie in Fig. 9 für zwei senkrechte Schnittebenen ϕ=0° und ϕ=90° skizziert. Die Energie wird zum weitaus überwiegenden Teil in den bezüglich der Flugrichtung vorderen Halbraum und seitlich abgestrahlt, wobei im gesamten vorderen und seitlichen Winkelbereich keine gravierenden Diagrammein brüche entstehen.

Mit geringem Aufwand ist damit eine konforme Antenne für einen Flugkörper herstellbar, die eine fluglagenunabhän gige Überwachung des vorderen und seitlichen Luftraums ermöglicht. Einzelheiten des Streifenleitungsaufbaus, wie Bemessung der Leitungslängen oder Anpassungstransforma tionen sind allgemein bekannt und daher an dieser Stelle nicht näher beschrieben.

Claims

1. Konforme Antenne für einen Flugkörper mit zylindrischem, vorzugs weise kreiszylindrischem Rumpf mit in Flugrichtung weisender Achse, bei welchem innerhalb eines um den Rumpf verlaufenden Bandes eine Leiterstruktur in Streifenleitungstechnik als Strahler der Antenne angeordnet ist, wobei die Leiterstruktur vier gleiche, bezüglich einer auf dem Umfang verlaufenden und parallel zur Achse des Flug körpers ausgerichteten Symmetrielinie gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Abschnitte mit parallel zur Achse des Flugkörpers ver laufenden Längsseiten und quer zur Achse des Flugkörpers verlaufen den Querseiten als strahlende Elemente mit von einer Querseite er folgenden Speisung aufweist, wobei die Speisung über eine gemein same Speisestelle erfolgt, die über Speiseleitungen mit den einzel nen Abschnitten verbunden ist, und wobei jeweils zwei benachbarte Abschnitte zu einem Streifenpaar zusammengefaßt und gleichphasig gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Streifenpaare (1, 2 und 3, 4, bzw. 5, 6 und 7, 8) zueinander gegenphasig gespeist sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifenabschnitte (1, 2, 3, 4) parallel zur Achse des Flugkörpers jeweils eine Breite von einer halben Wellenlänge im Dielektrikum (λ_ε/2) bei der Betriebsfre quenz der Antenne aufweisen (Fig. 4).

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifenabschnitte (5, 6, 7, 8) parallel zur Achse des Flugkörpers jeweils eine Breite von einem Viertel der Wellenlänge im Dielektrikum (λ_ε/4) bei der Betriebsfre quenz der Antenne aufweisen und entlang einer Querseite zur Massefläche der Streifenleitung kurzgeschlossen sind (Fig. 6).

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifenabschnitte jeweils aus zwei getrennten, um ein Viertel der Freiraum-Wellenlänge (λ_L/4) bei der Betriebsfrequenz der Antenne in Achsenrichtung gegenein ander versetzten Teilabschnitten (15 und 25, 16 und 26, 17, 18 und 28) bestehen, daß die einzelnen Teilabschnitte parallel zur Achse des Flugkörpers eine Breite von einem Viertel der Wellenlänge im Dielektrikum (λ_ε/4) bei der Betriebsfrequenz der Antenne aufweisen, und daß die in Flugrichtung vorne liegenden Teilabschnitte (25, 26, 27, 28) jeweils um 90° phasennacheilend gegenüber dem jeweils zugehörigen hinten liegenden Teilabschnitt (15, 16, 17, 18) gespeist sind (Fig. 8).